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青島能源所揭示有機(jī)太陽(yáng)能電池中電荷傳輸新機(jī)制

2021-04-07 16:39  來(lái)源:青島生物能源與過(guò)程研究所  瀏覽:  

有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)由于具有輕量化、柔性、可溶液法大面積制備等優(yōu)點(diǎn),成為光伏領(lǐng)域的重要研究方向,尤其是2015年新型非富勒烯受體的出現(xiàn),推動(dòng)了OSCs的發(fā)展。目前報(bào)道的絕大多數(shù)的高性能電池均是基于~100 nm的捕光層材料。但在面向應(yīng)用的大面積器件的印刷制備中,OSCs捕光層厚度是關(guān)鍵問(wèn)題。隨著膜厚的增加,捕光層內(nèi)電荷的復(fù)合損失顯著增加,電池效率迅速下降。此外,較薄膜厚的印刷制備會(huì)對(duì)設(shè)備和工藝的要求極為苛刻。因此,發(fā)展新方法開發(fā)具有膜厚敏感低的有機(jī)光伏材料對(duì)于OSCs的印刷制備及應(yīng)用具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院青島能源研究所先進(jìn)有機(jī)功能材料與器件研究組在前期非富勒烯受體的新型側(cè)鏈工程研究基礎(chǔ)上(Adv. Mater., 2019, 31, 1807832; Adv. Funct. Mater., 2020,30, 2007088等),進(jìn)一步系統(tǒng)研究并深入揭示出烷基側(cè)鏈的影響,實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子堆積、捕光層形貌及電荷傳輸更為精細(xì)的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn),側(cè)鏈烷基碳數(shù)細(xì)微調(diào)控對(duì)共軛材料分子堆積方式有不同影響,在側(cè)鏈碳數(shù)為5時(shí)的IDIC-C5Ph受體中存在奇特的分子堆積,科研人員首次提出雙通道電荷傳輸(TCCT)概念,可實(shí)現(xiàn)電荷更為高效的傳輸與提取。光伏性能結(jié)果表明,IDIC-C5Ph基器件最優(yōu)條件下的填充因子(FF)可高達(dá)80.02%,是常規(guī)有機(jī)光伏器件中的最高值之一。考慮到TCCT特性在電荷傳輸及抑制復(fù)合方面的優(yōu)勢(shì),IDIC-C5Ph基器件隨著膜厚增加到307 nm時(shí)FF仍然高達(dá)75%,媲美大多數(shù)報(bào)道的低膜厚器件數(shù)據(jù);進(jìn)一步增加到470 nm時(shí),F(xiàn)F依然大于70%,PCE達(dá)到13%。與之對(duì)比,常規(guī)單通道電荷傳輸?shù)腎DIC-C4Ph器件,最優(yōu)膜厚105 nm時(shí)具有較高的FF(78.05%)和轉(zhuǎn)換效率,但隨著厚度增加FF明顯降低(300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65%)。該結(jié)果表明,側(cè)鏈誘導(dǎo)的TCCT特性賦予電池低的膜厚敏感性,對(duì)大面積電池印刷制備具有重要意義。

相關(guān)研究成果以Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics為題,發(fā)表在The Innovation上。論文第一作者為副研究員李永海,論文通訊作者為研究員包西昌、陽(yáng)仁強(qiáng)等人。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。


有機(jī)分子雙通道堆積及厚膜器件應(yīng)用 

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